コンカレンシー（計算機科学）：概要、モデル、課題

主な特徴

コンカレントシステムは、イベントの順序が非決定的であること、コンテキスト切り替え、実行単位どうしの調整が必要なことを特徴とする。一般的な実行単位には、オペレーティングシステムのプロセス、プロセス内のスレッド、軽量タスク、アクターがある。コンカレンシーでは進捗と合成を重視する。すなわち、システム全体としての処理を継続しながら、複数の活動が実行中、待機中、またはブロック中になり得る。

歴史とモデル

初期のオペレーティングシステムでは、単一プロセッサを同時に利用できるようにするため、マルチタスクとタイムシェアリングが導入された。時代とともに、プログラミング言語とライブラリはコンカレンシーを表現する多様なモデルを発展させてきた。これには、同期プリミティブを伴う共有メモリ型スレッド、アクターやCommunicating Sequential Processes（CSP）などのメッセージパッシングモデル、イベント駆動型または非同期I/Oのパターンが含まれる。future、promise、async/awaitといった現代的な言語機能は、コンカレントな処理フローの記述を簡潔にする。

用途と例

コンカレンシーは、応答性の高いユーザーインターフェース、多数のクライアントを同時に扱うネットワークサーバー、リアルタイムおよび組込みコントローラー、I/Oと計算を重ね合わせるパイプラインの構築に広く用いられる。たとえばWebサーバーは、複数のリクエストを並行して処理できるため、ある接続で低速なI/Oが発生しても他の接続をブロックせず、スループットとレイテンシを改善できる。

技法と一般的な課題

• 同期：ロック、ミューテックス、セマフォ、条件変数。
• 通信：共有メモリとメッセージパッシングの選択、競合を減らすための不変性。
• 正しさに関する問題：競合状態、デッドロック、ライブロック、スタベーション、メモリ一貫性。
• 高水準の手法：アクターモデル、トランザクショナルメモリ、ロックフリーアルゴリズム、イベントループ、構造化コンカレンシー。

並列性との違いと実践上の助言

コンカレンシーはしばしば並列性と対比される。並列計算では複数のプロセッサ上で複数の操作を実際に同時実行するのに対し、コンカレンシーは、同時に実行される場合もそうでない場合もある、複数の論理的活動を管理することに関する概念である（並列計算）。効果的なコンカレント設計では、正しさと性能の均衡が重要である。クリティカルセクションを小さく保ち、変更可能な共有状態を最小化し、高水準の抽象化を採用するとともに、非決定性によってバグの再現が難しくなるため、テストと検証の技法を適用する。